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Ein umfassendes Verständnis von Fluidströmungen durch geologische Formationen ist für das effiziente Management von natürlichen Lagerstätten und Energieressourcen unentbehrlich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Modellierungsaspekte und numerische Simulationen eines kompressiblen Fluids entlang eines nachgiebigen Strömungskanals untersucht. Um die Transportprozesse in Rissen mit realistischen Geometrien effizient zu modellieren, wird ein hybrid- dimensionaler Ansatz entwickelt. Die Ergebnisse der theoretischen Analyse und der Simulationen lassen darauf schließen, dass die Kopplungseffekte mit zunehmendem Seitenverhältnis des untersuchten Risses quantitativ anwachsen und eng mit nicht-lokalen Deformationen der Rissränder verbunden sind. Der Vergleich von Felddaten und numerischen Ergebnissen zeigt, dass der hybrid-dimensionale Ansatz zu einem verbesserten Verständnis von unterirdischen Fluidströmungen durch geklüftete, poröse Geomaterialien führt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung und Berechnung turbulenter, kompressibler, reaktiver Strömungen und der Entwicklung eines entsprechenden parallelen Computerprogramms. Ausgangspunkt sind die mit der Finite-Volumen-Methode diskretisierten RANS-Gleichungen. In diesem Zusammenhang werden AUSM-Aufwindverfahren zweiter Ordnung mit verschiedenen Limitern kombiniert. Zur Simulation nicht-vorgemischter turbulenter Verbrennung wird das CMC- Verfahren verwendet. Dabei werden CMC-Netz und CFD-Netz getrennt behandelt. Eine auf zwei Schritten basierende fraktionierte Methode wird zur Lösung der CMC-Gleichungen angewandt. Das Computerprogramm wird anhand von mehreren klassischen Fällen, für die analytische Lösungen existieren, validiert. Abschließend werden eine reaktive Unterschall-Freistrahlströmung sowie die Überschallverbrennung in einer SCRAMJET-Brennkammer als Anwendungsbeispiele untersucht.

In der vorliegender Arbeit ist ein auf den genetischen Algorithmen basierte FORTRAN Rechenprogramm zur Optimierung von Verbrennungsprobleme entwickelt worden. Zur Berechnung der Verbrennungsprozesse wird ein ideales Rührkessel-Modell verwendet. Das mathematische Modell für die Verbrennungsoptimierung basiert auf einer Kombination der selbst-adaptiven evolutionären Strategie und des anstehenden Tabellenverfahren. Die Validierung des entwickelten Algorithmus bzw. des implementierten Modells anhand verschiedener Benchmark-Ergebnisse zeigt die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der neuen Verfahren. Anhand der Optimierung von verschiedenen praxisnahen homogenen und heterogenen Verbrennungsproblemen werden die Effizienz und die Robustheit des neuen Algorithmus untersucht. Abschließend wird ein kinetischer Mechanismus für n-Dekan auf Rhodium mit diesem Verfahren anhand von Messdaten generiert und validiert.

Diese Arbeit präsentiert numerische Argumente gegen die Bildung einer finite-time Singularität der inkompressiblen dreidimensionalen Euler-Gleichungen für Vortex-Dodekapol-Startbedingungen. Daten aus hochaufgelösten, adaptiv verfeinerten numerischen Simulationen werden genutzt, um Annahmen von geometrischen Blowup-Kriterien zu prüfen, die geometrische Eigenschaften von Lagrangschen Wirbellinien-Segmenten mit einer möglichen finite-time Singularität verknüpfen. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein numerisches Framework erweitert, um die Integration der inkompressiblen, dreidimensionalen Euler-Gleichungen auf adaptiv verfeinerten Gittern zu ermöglichen, die Untersuchung geometrischer und Lagrangscher Kriterien zu erlauben und nahezu optimales Skalierungsverhalten auf massiv parallelen Computern zu erreichen.

Gegenstand der Analyse ist die strömungsmechanische Betrachtung der Einströmkammer einer Dampfturbine. Weiterhin wird untersucht, inwiefern die Topologie der Einströmung das Verformungsverhalten des gesamten Gehäuses und damit einhergehend die Leckagen in den Schaufeldichtungen beeinflusst. Aus der Untersuchung werden Gestaltungsrichtlinien für zwei unterschiedliche Konzepte der Einströmung abgeleitet. Die Optimierung einer Ringkammereinströmung führt auf eine Geometrie, die aus strömungsmechanischer und mechanischer Sicht wirkungsgradoptimal ist. Der größte Leistungsgewinn wird durch eine verbesserte Leitradanströmung realisiert. Die Untersuchung einer Spiraleinströmung deckt den negativen Einfluss exzentrisch liegender Spiralenstutzen auf die Leckageverluste auf. Eine kompakte und gedrungene Spirale führt für das zugrunde gelegte Gehäuse auf die geringsten Gesamtverluste.

The condensation process in a steam turbine is in reality an essentially unsteady phenomenon. There are differences between steady and time-accurate calculations introduced by the large-scale temperature fluctuations which are caused by the segmentation of blade wakes by successive blade rows. Consequently, it is important to consider the additional losses caused by condensation in unsteady simulations. In this work a time-accurate Eulerian-Lagrangian two-phase model is presented. The algorithm is applied to the compressible Navier-Stokes solver TRACE to predict the influence of spontaneous homogeneous nucleation using source terms for heat, mass and momentum transfer between the phases. In simulations presented in this work the capability of the two-phase model is demonstrated through comparisons with one and two dimensional experiments of nozzles and a cascade blade from literature. Unsteady phenomena are described in detail for an industrial low pressure steam turbine stage.

Thema der Arbeit ist die Analyse des Strömungsverhaltens in Einströmgehäusen und das Bestimmen der Leistungsverluste. Nach Erbringung des Eignungsnachweises für die Berechnung von Rohrströmungen und Einlassgehäusen mit dem Strömungslöser CFX wird gezeigt, dass durch den geschickten Einsatz poröser Medien die Genauigkeit der Berechnungen stark gesteigert wird. Die stromauf liegende und den Dampf zuführende Überströmleitung wird untersucht und deren Einfluss auf die Gehäuseströmung ermittelt. Anschließend werden Variationsrechnungen von Gehäuseformen ausgeführt, um den Einfluss der geometrischen Eigenschaften zu analysieren. Auch im spiegelgleichen Gehäuse kann sich eine asymmetrische Strömung einstellen. Daher werden die Eigenschaften der Gehäuse und der Einbauten auf ein der Asymmetrie entgegen wirkendes Verhalten hin untersucht. Die Ergebnisse werden auf ihren Einfluss auf die Anlagenleistung überprüft. Es wird Verbesserungspotential von bis zu 0.55 MW in einer 170 MW Turbine ermittelt.

Inhalt der Arbeit ist die Entwicklung eines impliziten Zeitschrittverfahrens zur Berechnung stationärer und zeitabhängiger Strömungen in Turbomaschinen. Das Verfahren zeichnet sich durch eine massive Rechenzeitreduzierung gegenüber herkömmlichen Zeitschrittmethoden, hohe Robustheit und einfache Handhabung aus. Die Entwicklung des impliziten Zeitschrittverfahrens wurde in einem vorhandenen aerodynamischen Rechenverfahren für Turbomaschinen umgesetzt. Für die Anwendung auf stationäre Strömungen konnten die Durchlaufzeiten des Simulationssystems um den Faktor 10-15 reduziert werden, bei zeitgenauen Simulationen wurde eine Rechenzeiteinsparung um mehr als das 20fache erreicht. Das Verfahren wurde an diversen (Turbinen- und Verdichter-) Testfällen valdiert. Die Einsatztauglichkeit wurde an 2 realen Verdichterkonfigurationen demonstriert: Gegenstand war die Geometrievariation an einer Hochdruckverdichterstufe und Untersuchung eines transsonischen Verdichterrotors mit Gehäusewandkonturierung.

Die vorliegende Untersuchung zielt auf einen rechnerischen Vergleich der wirkungsvollsten Geometrien frei stehender Schaufelenden unter für Verdichterbetrieb vergleichbaren Randbedingungen. Dabei kommt ein kommerzieller Strömungslöser zur Anwendung, wobei eine blockorientierte Organisation des Rechengebietes einer Berechnung verschiedenster Geometrievarianten im Spitzendichtungsbereich besonders entgegenkommt. Als vorteilhaft erweist sich eine druckseitige Anschärfung mit einer spitzen Profilnase. Parametervariationen wie Anschärfungshöhe, betriebspunktabhängiger Anströmwinkel oder Breite der Dichtkante weisen zudem Trends und Grenzen hinsichtlich der Verbesserung im Kennfeld auf. Diese Verbesserungen beruhen weniger auf einer Reduzierung der Leckage, sondern sind auf veränderte sehnenbezogene, profilformabhängige Umlenkeigenschaften zurückzuführen. Eine Anschärfung führt zu keiner wesentlichen strukturmechanischen Beeinträchtigung und zu merklichen Verschiebungen im Campbell-Diagramm.